CN114360844A - 超导线圈接头、制备方法及超导线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超导线圈接头、制备方法及超导线圈，包括：步骤S1：获取基带，对所述基带进行抛光；步骤S2：在所述基带上依次形成过渡层、超导层和银层，得到多层结构；步骤S3：对所述多层结构进行分切；还包括划刻步骤：过渡层、超导层或银层沿长度方向划刻两道第一划痕，沿宽度方向划刻多道第二划痕，所述第二划痕在厚度方向的投影位于所述两道第一划痕之间。本发明的接头向外转弯直径能达到5mm，大大减小了转弯直径。接头处处于磁场的最中心，受到洛伦兹力的影响最大，两侧的划痕阻隔了洛伦兹力对带材分切边缘产生的影响。
Description
技术领域
本发明涉及超导技术领域，具体地，涉及一种超导线圈接头、制备方法及超导线圈。
背景技术
1911年荷兰莱顿大学的卡末林·昂纳斯教授在实验室首次发现超导现象以来，超导材料及其应用一直是当代科学技术最活跃的前沿研究领域之一。在过去的十几年间，以超导为主的超导电力设备的研究飞速发展，在超导储能、超导电机、超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导磁悬浮、核磁共振等领域取得显著成果。超导带材分为铋系和钇系。铋系超导体即第一代超导材料，也称BSCCO超导体；钇系超导体即第二代超导材料，也称YBCO或ReBCO超导体。
第二代超导带材，由于其作为超导载流核心的ReBCO本身硬且脆，所以一般是在镍基合金基底上采用多层覆膜的工艺生产，所以又被成为涂层导体。第二代超导带材一般由基带、缓冲层(过渡层)、超导层以及保护层组成。金属基底的作用是为带材提供优良的机械性能。过渡层的作用一方面是防止超导层与金属基底发生元素间的相互扩散，另一方面最上方的过渡层需为超导层的外延生长提供好的模板，提高YBCO晶粒排列质量。制备超导性能优良的涂层导体，需要超导层具有一致的双轴织构。双轴织构是指晶粒在a/b轴和c轴(c轴垂直于a/b面)两个方向均有着近乎一致的排列。由于YBCO薄膜在a/b轴方向的排列程度(面内织构)相对较难实现，而面内织构较差会严重降低超导性能。因此需要YBCO超导薄膜在已经具有双轴织构和匹配晶格的过渡层上外延生长。制备实现双轴织构有两种主流的技术路线，一种是轧制辅助双轴织构基带技术，另一种为离子束辅助沉积技术。ReBCO超导层制备的常见技术分为多种，有脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积、反应共蒸发等。保护层主要是用来保护超导膜层，一般在超导带材表面镀1-5um的银层。仅仅经过银保护的第二代高温超导带材，通常不能满足应用的需求。国际上普遍的做法是对其进行表面镀铜处理，即在已经镀银的超导带材表面电镀1-80um的铜层。
普通的超导线圈一般做成饼式线圈，饼式线圈又分为双饼或单饼线圈。单饼线圈，电流引线一根在中间一根在外侧，双饼线圈的电流引线两根都在线圈外侧。因此从实际工程的角度来考虑，大家更愿意使用双饼线圈的结构。HTS带材会同时发生两种弯曲形变：一是沿带面方向、由磁体内径(骨架外径)决定的弯曲形变；二是沿带宽方向的侧向弯曲。与线圈中只沿带面方向弯曲的其它匝相比，双饼线圈的第一匝是一个单饼向另一个单饼的过渡，HTS带材不仅要沿带面方向弯曲，而且还在线圈骨架轴上有一个带宽的移动，使带材产生侧向弯曲。双饼线圈的中间使用超导带材斜向过渡，一般用在大型线圈上。因为过渡距离够长，产生的侧向弯曲力也可接受。然而在小线圈上，这样的斜跨方式则会因为带材经受不住侧向弯曲应力导致失败。因此通常来说需要制作接头。当然双饼线圈一般不仅在内侧制作接头，外侧也会制作接头，内侧接头一般比较复杂，本申请针对于内侧接头进行设计。
超导带材由于是在轧制的哈氏合金上镀膜，超导带材沿宽度方向上的电流只有长度方向上的电流的1/3。如果沿宽度方向对带材做接头，接头电阻是沿长度方向对带材做接头的5倍以上。
超导带材由于是涂层材料，因此接头的制作必须考虑让带材超导面对超导面。超导面对超导面，目前工业级制备接头的水平在10nΩ等级，如果让超导面对另一根带材的背面，甚至超导带材背对背做接头，电阻都会达到μΩ等级，这样的电阻在要求较高的线圈中是无法接受的。
超导带材由于是涂层材料，其两个弯曲方向的转弯直径也不一样。通常来说YBCO面向内转弯直径较小，一般最小可达4-6mm。YBCO面向外转弯直径较大，一般要达到13-15mm。原因在于ReBCO晶粒抗压不抗拉，抗压应变超过1％，抗拉应变只有0.4％。无孔高场磁体中，需要中间的带材的弯曲越小越好，这样能让获得的磁场更大。考虑到必须超导面对超导面做接头，中介的接头段带材向外的转弯直径是15mm，这样就成为了孔径进一步缩小的瓶颈。
此外，线圈最内匝的接头在高场磁体的孔径处，这里的带材受到磁场下洛伦兹力的作用，应力非常大。由于接头带材不能向外侧凸出，因此接头带材需要经过机械分切成所需的宽度，分切会造成接头带材超导层边缘的膜层裂纹，在强磁场下，裂纹会进一步扩展，损坏带材。
接头的基带采用哈氏合金，表面沿其长度方向具有料痕，由于常规的接头为直线型，因此长度方向的料痕对电流传输的影响有限，然而在本发明的方案中，存在横向传输的情况，电流横向传输时就会受到料痕的影响，从而造成电流损失。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超导线圈接头、制备方法及超导线圈。
根据本发明提供的一种超导线圈接头的制备方法，包括：
步骤S1：获取基带，对所述基带进行抛光；
步骤S2：在所述基带上依次形成过渡层、超导层和银层，得到多层结构；
步骤S3：对所述多层结构进行分切，得到所需的宽度；
还包括划刻步骤：
在形成过渡层后，沿长度方向在所述过渡层划刻两道第一划痕，沿宽度方向在所述过渡层划刻多道第二划痕，在划刻后的所述过渡层上继续形成超导层和银层；或者，
在形成超导层后，沿长度方向在所述超导层划刻两道第一划痕，沿宽度方向在所述超导层划刻多道第二划痕，在划刻后的所述超导层上继续形成银层；或者，
在形成所述银层后，沿长度方向在所述银层和所述超导层划刻两道第一划痕，沿宽度方向在所述银层和所述超导层划刻多道第二划痕，在划刻后的所述超导层上继续形成银层；或者，
在形成过渡层后，沿长度方向在所述过渡层划刻两道第一划痕，在划刻后的所述过渡层上镀制超导层，沿宽度方向在所述超导层划刻多道第二划痕，在划刻后的所述超导层上镀制银层；或者，
在形成过渡层后，沿长度方向在所述过渡层划刻两道第一划痕，在划刻后的所述过渡层上镀制超导层和银层，沿宽度方向在所述银层划刻多道第二划痕；
其中，所述第二划痕在厚度方向的投影位于所述两道第一划痕在厚度方向的投影之间，分切的位置位于所述两道第一划痕的外侧。
优选地，所述抛光的方式包括先进行机械抛光再进行电化学抛光。
优选地，所述划刻采用激光划刻。
优选地，在所述过渡层划刻的所述第一划痕或所述第二划痕的深度等于所述超导层的厚度，在所述超导层划刻的所述第一划痕或所述第二划痕的深度等于所述超导层的厚度，在所述银层划刻的所述第一划痕或所述第二划痕的深度等于所述超导层加所述超导层的厚度。
优选地，还包括：
步骤S4：对分切后的所述多层结构进行镀铜。
优选地，所述抛光的次数为1至5次。
优选地，通过抛光使基带上的粗糙度小于预设值。
优选地，所述镀铜包括：将所述多层结构卷绕在圆柱上，在弯曲状态下电镀。
根据本发明提供的一种超导线圈接头，采用所述的超导线圈接头的制备方法制备得到。
根据本发明提供的一种超导线圈，包括所述的超导线圈接头。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的接头向外转弯直径能达到5mm，大大减小了转弯直径。
2、接头处处于磁场的最中心，受到洛伦兹力的影响最大，两侧的划痕阻隔了洛伦兹力对带材分切边缘产生的影响。
3、基带抛光让带材的宽度方向上的电流和电阻与长度方向上的基本一致。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明超导线圈接头的剖视图；
图2为本发明第一划痕和第二划痕的示意图；
图3为本发明分切过程的示意图；
图4为本发明接头安装状态下的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供一种超导线圈接头的制备方法，包括：
步骤S1：获取基带，对基带进行抛光，从而去除基带表面的料痕。抛光的方式可以采用机械抛光，或者采用先机械抛光再电化学抛光的方式实现。抛光的次数可以为1至5次，在机械抛光中，也可以采用先粗抛光再精抛光的方式，粗抛光轮的转向与在基带上的前进方向相反，而精抛光轮的转向与在基带上的前进方向相同。
步骤S2：在基带上依次形成过渡层、超导层和银层，得到如图1所示的多层结构。
如果按此常规的方式制作接头，那么接头的弯曲直径将非常有限。因此，如图2所示，本实施例在接头制作工艺中进行了划刻操作。具体的，可以有以下多种方式：
在形成过渡层后，沿长度方向在过渡层划刻两道第一划痕1，沿宽度方向在过渡层划刻多道第二划痕2，在划刻后的过渡层上继续形成超导层和银层。
或者，也可以在形成超导层后，沿长度方向在超导层划刻两道第一划痕1，沿宽度方向在超导层划刻多道第二划痕2，在划刻后的超导层上继续形成银层。
或者，也可以在形成银层后，沿长度方向在银层和超导层划刻两道第一划痕1，沿宽度方向在银层和超导层划刻多道第二划痕2，在划刻后的超导层上继续形成银层。
或者，也可以在形成过渡层后，沿长度方向在过渡层划刻两道第一划痕1，在划刻后的过渡层上镀制超导层，沿宽度方向在超导层划刻多道第二划痕2，在划刻后的超导层上镀制银层。
亦或者，在形成过渡层后，沿长度方向在过渡层划刻两道第一划痕1，在划刻后的过渡层上镀制超导层和银层，沿宽度方向在银层划刻多道第二划痕2。
其中，第二划痕2在厚度方向的投影位于两道第一划痕1之间。由于第一划痕1位于第二划痕2的两端，在划刻第二划痕的时候，第二划痕2的裂纹会在第一划痕1位置处截止，而不会继续向外扩散，在极限的磁场测试环境下裂纹也没有进一步向外扩散。
而多道第二划痕2的存在，可以使接头有更好的弯曲能力。第二划痕2具有沿宽度和深度方向的分量，截面可以呈三角形或方形的沟槽，优选为三角形，这样划痕所在侧压缩弯曲起来没缝隙。
在本发明中，划刻以采用激光划刻，本发明对此不做限制。需要说明的是，在过渡层划刻的第一划痕1或第二划痕2的深度等于超导层的厚度，在超导层划刻的第一划痕1或第二划痕2的深度等于超导层的厚度，在银层划刻的第一划痕1或第二划痕2的深度等于超导层加超导层的厚度。
步骤S3：在多层结构上镀铜。镀铜的顺序包括：预镀铜、镀光亮铜以及镀沙面铜。本发明采用预镀铜的方式，使镀铜速度大于电镀液进入超导层的速度。各个将多层结构卷绕在圆柱上，在弯曲状态下电镀，圆柱的直径为5-10mm。
实施例2
在实施例1的基础上，由于接头的尺寸需要与连接的超导带材相适配，因此需要通过分切的方式得到所需的宽度。而分切不能在接头制作完成后分，因此，本实施例在实施例1的基础上融入的分切的方法。
本实施例在步骤S2和步骤S3之间，对获取的多层结构进行分切，得到预设宽度的基带，然后进行步骤S3。如图3所示，分切的位置位于两道第一划痕1的外侧，可以在其中一个第一划痕1的外侧分切，也可以同时在两个第一划痕1的外侧分切。分切时，由于第一划痕1的存在，使得分切产生的裂痕不会扩散至两个第一划痕1的内侧。
如图4所示，将需要连接的第一超导带材5和第二超导带材6并排放置，且超导面朝向通过实施例1和实施例2制作的超导线圈接头4的超导面，将超导线圈接头4与两个超导带材连接在一起，此时超导线圈接头4的宽度与两个超导带材相同。
超导带材的基带采用哈氏合金，表面沿其长度方向具有料痕，由于常规的超导带材为直线型，因此长度方向的料痕对电流传输的影响有限。然而，对于本发明经过第二划痕2划刻后的接头而言，存在宽度方向传输的电流，因此采用实施例1的抛光工艺，去除基带的聊痕，使基带上的粗糙度小于预设值。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种超导线圈接头的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S1：获取基带，对所述基带进行抛光；
步骤S2：在所述基带上依次形成过渡层、超导层和银层，得到多层结构；
步骤S3：对所述多层结构进行分切，得到所需的宽度；
还包括划刻步骤：
在形成过渡层后，沿长度方向在所述过渡层划刻两道第一划痕，沿宽度方向在所述过渡层划刻多道第二划痕，在划刻后的所述过渡层上继续形成超导层和银层；或者，
在形成超导层后，沿长度方向在所述超导层划刻两道第一划痕，沿宽度方向在所述超导层划刻多道第二划痕，在划刻后的所述超导层上继续形成银层；或者，
在形成所述银层后，沿长度方向在所述银层和所述超导层划刻两道第一划痕，沿宽度方向在所述银层和所述超导层划刻多道第二划痕，在划刻后的所述超导层上继续形成银层；或者，
在形成过渡层后，沿长度方向在所述过渡层划刻两道第一划痕，在划刻后的所述过渡层上镀制超导层，沿宽度方向在所述超导层划刻多道第二划痕，在划刻后的所述超导层上镀制银层；或者，
在形成过渡层后，沿长度方向在所述过渡层划刻两道第一划痕，在划刻后的所述过渡层上镀制超导层和银层，沿宽度方向在所述银层划刻多道第二划痕；
其中，所述第二划痕在厚度方向的投影位于所述两道第一划痕在厚度方向的投影之间，分切的位置位于所述两道第一划痕的外侧。
2.根据权利要求1所述的超导线圈接头的制备方法，其特征在于，所述抛光的方式包括先进行机械抛光再进行电化学抛光。
3.根据权利要求1所述的超导线圈接头的制备方法，其特征在于，所述划刻采用激光划刻。
4.根据权利要求1所述的超导线圈接头的制备方法，其特征在于，在所述过渡层划刻的所述第一划痕或所述第二划痕的深度等于所述超导层的厚度，在所述超导层划刻的所述第一划痕或所述第二划痕的深度等于所述超导层的厚度，在所述银层划刻的所述第一划痕或所述第二划痕的深度等于所述超导层加所述超导层的厚度。
5.根据权利要求1所述的超导线圈接头的制备方法，其特征在于，还包括：
步骤S4：对分切后的所述多层结构进行镀铜。
6.根据权利要求1所述的超导线圈接头的制备方法，其特征在于，所述抛光的次数为1至5次。
7.根据权利要求1所述的超导线圈接头的制备方法，其特征在于，通过抛光使基带上的粗糙度小于预设值。
8.根据权利要求5所述的超导线圈接头的制备方法，其特征在于，所述镀铜包括：将所述多层结构卷绕在圆柱上，在弯曲状态下电镀。
9.一种超导线圈接头，其特征在于，采用权利要求1所述的超导线圈接头的制备方法制备得到。
10.一种超导线圈，其特征在于，包括权利要求9所述的超导线圈接头。
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